Vertical distribution characteristics of land use in Guizhou and Guangxi Karst Mountainous region based on terrain differentiation indicators
ZHANGHongqi1,, SHANGErping1,2, YUZhuxiao1,2 1. Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation,Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China2. University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China 收稿日期:2017-08-23 修回日期:2017-09-15 网络出版日期:2017-10-20 版权声明:2017《资源科学》编辑部《资源科学》编辑部 基金资助:国家重点基础研究发展计划项目（973 计划）（2015CB452702）国家自然科学基金项目（41601095） 作者简介: -->作者简介：张红旗,男,黑龙江佳木斯人,博士,研究员,主要从事土地评价、土地利用及区域农业发展研究。E-mail：zhanghq@igsnrr.ac.cn
关键词：土地利用;垂直分布;地形分异指数;黔桂喀斯特山地 Abstract Previous studies have quantitatively characterized the relationship between land use and topographical factors using statistical terrain features of a whole study area. This does not reveal the spatial terrain distribution of land use. Based on spatial techniques,here we constructed terrain differentiation indicators,including elevation differentiation index and slope differentiation index to quantify the spatial difference of terrain gradient characteristics. Taking the Guizhou and Guangxi Karst Mountainous Region as our study area,terrain differentiation indicators were applied to explore the spatial terrain gradient characteristics of different land uses. Arable land,water body and construction land are primarily located in the low elevation area. The distribution of the forest and grassland is relatively even across different elevation classes. Arable land,water body and construction land are primarily located in low-lying areas,but steep areas are covered by forest and grassland. Using terrain differentiation indicators,it found that most of those for arable land,water body and construction land are smaller than one,indicating that these land use types tended to be located in areas with relative low altitude and slight slopes. In contrast,terrain differentiation indicators of forest and grassland were mostly larger than one,meaning that they tended to be located in areas with a high-altitude and steep slope. With increasing elevation,terrain differentiation indicators of arable land and construction land increased. This implies that the proportions of arable land and construction land located in high-altitude and steep areas increased. A higher intensity of land resource development to high-altitude and steep slope areas in counties （cities）of higher average altitude. Terrain differentiation indicators provide a quantitative method that supports the results of traditional statistical analysis and reveals local relative differences in the vertical distribution of land use.
Keywords：land use;vertical distribution;terrain differentiation index;Guizhou and Guangxi Karst Mountainous Region -->0 PDF (2098KB)元数据多维度评价相关文章收藏文章 本文引用格式导出EndNoteRisBibtex收藏本文--> 张红旗, 尚二萍, 于竹筱. 基于地形分异指数的黔桂喀斯特山地土地利用垂直分布特征[J]. , 2017, 39(10): 1964-1974 https://doi.org/10.18402/resci.2017.10.15 ZHANGHongqi, SHANGErping, YUZhuxiao. Vertical distribution characteristics of land use in Guizhou and Guangxi Karst Mountainous region based on terrain differentiation indicators[J]. 资源科学, 2017, 39(10): 1964-1974 https://doi.org/10.18402/resci.2017.10.15
1 前言
国际全球环境变化人类行为计划和国际地圈生物圈计划的共同执行计划LUCC（Land Use and Land Cover Change）[1]以及后续计划GLP（Global Land Project）[2]的实施,极大促进了土地科学相关研究的发展,深入研究了土地利用/覆被分布及其变化的影响因素[3-5]。地形作为自然环境的一个重要因素,对区域内水、热、养分起到再分配的作用,深刻影响着人类利用土地的方式和程度,是决定区域土地利用空间格局的关键因素之一[6,7]。因此,分析土地利用/覆被格局随地形分布的变化,有助于理解区域生态现象和过程、土地利用/覆被格局的规律性。 国内外****通过GIS空间分析技术和数字高程模型DEM数据,可以快速提取各土地利用类型所在的海拔、坡度和坡向等各地形因子信息,以对地形因子与土地利用的关系进行定量刻画和研究[7-10]。值得注意的是,任何因子对土地利用分布及其变化的影响应放在特定的尺度中具体分析[11,12],秦鹏等研究发现地形因素对土地利用的影响随着空间分析单元的变化而不同[13]。然而,目前的研究多是以整个研究区来统计和分析两者的关系,如梁发超等研究湖南省浏阳市土地利用的地形梯度特征[9],李飞等分析科尔沁左翼中旗不同地形因子上居民点分布的差异[10],冯朝阳等分析京西门头沟区地形因子对土地利用的影响[14],崔卫国等研究醴陵市土地利用与地形因子的关系[15],李丹等分析重庆市忠县土地利用在不同地形因子影响下的布局差异[16],斯钧浪等研究胶东山区土地利用在地形梯度上的分布特征[17]。上述研究皆难以揭示土地利用垂直分异特征在不同空间位置上的差异,尤其是在大中尺度（如青海湖流域[18]、长江上游[19]和西双版纳地区[20]）研究中,采用上述分析方法更容易忽略局部区域土地利用垂直分布的空间信息。因此,本研究以黔桂喀斯特山地为例,通过构建地形分异指数,刻画土地利用的垂直分异特征,以有利于地形因子对土地利用分布影响的深入研究。
2 研究区概况、数据来源与研究方法
2.1 研究区概况
本研究选取的黔桂喀斯特山地范围[21],主要参考中国国家自然地图集[22]中的华南喀斯特地形图及亚洲喀斯特地形分布图。该区覆盖贵州省和广西省的大部,面积约为21.41万km2,位于22°8'54"N-28°12'27"N,104°18'27"E-110°20'40"E之间（图1）。水系为长江和珠江上游的支流,包括三岔河、鸭池河、清水江、南盘江、红水河、柳江、郁江和黔江等众多支流。海拔为0~2848m,从西北向东南逐渐降低,地势以中小起伏的山地类型为主;地形从中山丘陵逐步过渡到低山盆地;喀斯特地貌类型从贵州高原的峰丛地貌,逐渐过渡到广西丘陵平原的峰林地貌。行政区划上包括贵阳、六盘水、安顺和河池的全部地区,黔西南、黔南、毕节、百色、柳州、来宾、贵港、崇左和南宁的大部份地区,以及铜仁、遵义和黔东南的小部份地区。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图1中国黔桂喀斯特山地位置和分布范围 -->Figure 1Location and scope of Guizhou and Guangxi Karst Mountainous Region -->
根据2015年土地利用图（图2）和各土地利用面积比例统计结果（表1）,黔桂喀斯特山地的林地面积最大,为1218.00万hm2,比重超过一半,达到了56.88%;耕地和草地面积分列二、三位,分别为551.18万hm2和306.85万hm2,比重分别达到了25.74%和14.33%;建设用地面积42.18万hm2,排名第四,比重为1.97%;水域比重为1.07%,居第5位;而未利用地面积比重仅为0.01%,由于未利用地面积很小,在后续研究中不再进行分析。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图22015年黔桂喀斯特山地土地利用类型分布 -->Figure 2Land use of Guizhou and Guangxi Karst Mountainous Region in 2015 -->
Table 1 表1 表12015年黔桂喀斯特山地土地利用面积及比例 Table 1Area and proportion of land uses of Guizhou and Guangxi Karst Mountainous Region in 2015
耕地
林地
草地
水域
建设用地
未利用地
数量/万hm2
551.18
1 218.00
306.85
22.91
42.18
0.21
比例/%
25.74
56.88
14.33
1.07
1.97
0.01
新窗口打开 基于GIS的空间叠置分析,发现不同土地利用类型随海拔变化呈现不同分布特征（图3）,总体上耕地、水域和建设用地在低海拔比重较高,而林地和草地在各海拔等级皆有分布。耕地在低海拔分布的比重较高,0~200m的耕地占总面积比重在各等级中最高,达到了31.23%,但在800~1000m、1000~1200m和1200~1400m等三个海拔等级的耕地比重也超过了10%。林地在低于1200m海拔的各等级分布较大,皆超过了10%,其中200~400m等级的比重最大;在大于1200m海拔之后,林地的比重迅速减少。草地在海拔的垂直分布上则更加均匀,除了1600~1800m和1800m以上两个等级外,其余8个等级的面积比重在10%左右,1200~1400m等级的草地面积比重最大,达到了15.19%。水域和建设用地在海拔垂直分布上则呈现类似的分布特征,0~200m等级的面积比重最大,分别达到59.89%和56.40%,而其余等级的面积比重都较低。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图32015年黔桂喀斯特山地土地利用海拔分布 -->Figure 3Distribution of land uses of Guizhou and Guangxi Karst Mountainous Region in different elevation classes in 2015 -->
坡度方面,不同土地利用类型随坡度的增加也呈现不同的分布特征（图4,见第1968页）。耕地、水域和建设用地主要分布在坡度较小的平坦区域,而陡坡地区主要被林地和草地所占据。耕地在0~5º等级的比重最高,但仅为43.89%,在易导致水土流失的15º以上坡耕地的比重达到了20.41%,15º~25º、25º~35º以及35º以上等3个等级的坡耕地比重分别是15.31%、4.25%和0.85%,该部分坡耕地应进行有效管理,防治水土流失。林地和草地在坡度分布上较为类似,8º~15º和15º~25º等两个等级的面积比重较大,皆在30%左右,除35º以上等级外,其余3个坡度等级的比重在10%左右。水域和建设用地在坡度分布上也呈现类似的分布特征,在0~5º等级的面积比重最大,分别达到63.64%和74.53%,其余等级的面积比重都很低。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图42015年黔桂喀斯特山地土地利用坡度分布 -->Figure 4Distribution of land uses of Guizhou and Guangxi Karst Mountainous Region in different slope classes in 2015 -->
3.2 土地利用垂直分布局部差异特征
考虑到研究区在海拔和坡度的空间分布差异显著,提出地形分异指数以表征其土地利用垂直分布特征在局部的相对差异。以海拔分异指数为例,分别计算了5km×5km、10km×10km、20km×20km和县域单元的结果（图5,见第1969页）。5km×5km窗口的海拔分异指数数值范围更为集中,极值少;随着移动窗口大小的增加,极值栅格单元的数量增加,数值范围更大,海拔分异指数空间对比度逐渐增加,到县域单元,则出现明显空间分布差异。可见,统计窗口过小,反映的局部空间信息过于均质化,难以反映各区域的地形特征差异。为便于比较土地利用分布在区域范围的相对差异,下文均采用县域单元的计算结果进行分析（对比度更大）。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图5黔桂喀斯特山地海拔分异指数 -->Figure 5Elevation differentiation index of Guizhou and Guangxi Karst Mountainous Region -->
将县域单元计算的地形分异指数（图5d）与土地利用图（图2）进行空间叠置,可分别计算各土地利用类型的海拔（坡度）分异指数,以揭示每一土地利用单元垂直方向的空间分布差异。由于水域与建设用地的分布较少,难以有效进行空间展示,因此,本文计算并展示了县域单元内的海拔（坡度）分异指数平均值（图6和图7,图7见第1971页）。某土地利用类型的该指数越小,则表明土地利用趋于低海拔或者缓坡分布;反之,则是土地利用集中在高海拔或者陡坡分布。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图6基于县域单元的黔桂喀斯特山地海拔分异指数 -->Figure 6Mean elevation differentiation index by county unit in Guizhou and Guangxi Karst Mountainous Region -->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图7基于县域单元的黔桂喀斯特山地坡度分异指数 -->Figure 6Mean slope differentiation index by county unit in Guizhou and Guangxi Karst Mountainous Region -->
本文应用GIS空间分析技术,构建地形分异指数——海拔（坡度）分异指数,结合传统的统计分析方法,刻画和分析喀斯特山地土地利用的垂直分异特征,结果表明： （1）海拔分布上,耕地比重在0~200m最高,在800~1400m出现第2个峰值;林地在低于1200m海拔分布较大,大于1200m海拔之后迅速减少;草地在不同海拔分布较为均匀,1200~1400m等级的草地面积比重最大;水域和建设用地分布类似,在0~200m的面积比重最大。坡度方面,耕地在0~5º等级的分布最大,但仅为43.89%,15º以上坡耕地的比重达到了20.41%;林地和草地在8º~15º和15º~25º两个等级的面积比重较大;水域和建设用地在0~5º等级的面积比重最大。 （2）本文提出地形分异指数,用以衡量土地利用垂直分布在局部的相对差异。该指数越大,表示土地利用单元在特定范围内越趋于更高海拔（陡坡度）区域分布,反之则趋于更低海拔（缓坡度）区域分布。耕地、水域和建设用地指数多小于1,趋于低洼和平缓区域分布的比重大;林地和草地则多大于1,多趋于相对高海拔和陡坡分布。 （3）地形分异指数揭示的各土地利用类型垂直分布特征与传统方法发现的规律一致,但数值的高低有助于揭示空间的差异性。随着海拔自东南向西北逐步升高,耕地、水域和建设用地的海拔分异指数呈现自东南向西北递增,相反地,林地自东南向西北递减,草地的空间分布则更为零碎;耕地的坡度分异指数也是自东南向西北递增,林地则呈相反的自东南向西北递减,水域、建设用地和草地的空间分布则较为零散。这表明,在喀斯特山地平均海拔更高的县（市）,人类向更高海拔、更陡坡区域进行土地资源开发的程度更大,应用地形分异指数揭示了研究区土地利用垂直分布特征的局部相对差异。 本研究还存在一些不足,需进一步验证和完善。本文提出的地形分异指数——海拔（坡度）分异指数是基于不同大小的一定窗口和研究单元进行计算,不同的计算单元,结果存在一定的差异性（图5）。本研究选择县域单元进行最终的计算和分析,并发现了不同土地利用类型较为清晰的空间分布差异,尤其是耕地和林地随着海拔的递减,呈现截然相反的空间分布格局。然而,在不同的研究区,如何选择和确定移动窗口,可在未来的研究中进一步讨论。 The authors have declared that no competing interests exist.
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, 尚二萍
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